双向运动复合材料超声直线电机的工作机理及优化

论文摘要

超声电机是以超声振动为动力源的一种驱动装置,通常由形成超声振动的振子(定子)和与振子相接触的部件(转子)构成。这种电机利用压电材料的逆压电效应所产生的超声振动来进行电能和机械能的转换,采用合理结构,并将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或者滑块的宏观运动。超声波电机具有不受磁场干扰、结构简单、质量轻、功率密度大、低速大转矩、精确定位、动作响应快等特性,有着广阔的应用前景。已开发出的超声波电机形式各异,功能千差万别,但其关键部件——弹性振动体大多采用各向同性材料制造。在各向同性弹性振动体内,要产生导致电机运动的所谓“椭圆运动”必须利用振动模式组合或激振点的空间分布,致使电机结构复杂,增加系统设计和调试的难度。本文的重点对复合材料弹性振动体的动力学特性进行了详细分析,利用各向异性复合材料作为振动体,研制了复合材料超声直线电机样机,并就其工作机理、振动模态、谐振响应及瞬态响应、结构优化等进行了仿真和实验。本文以碳纤维增强型复合材料振动体CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)的解析模型为依据,利用有限元分析方法,在ANSYS有限元软件的平台上分别建立了压电晶片和CFRP复合材料振动体的有限元模型。分析了压电晶片的逆压电效应,得出其输出位移并确定了其最佳厚度。对CFRP振动体进行模态分析,证明其在B(1, 1)下具有最简振动模态,且存在振型相同、方向相反的两个简并的B(1, 1)模态。分析CFRP振子内部变形及应力传递,证明其在这两个模态下具有相反的振动方向,即电机能够双向运动。通过谐响应分析进一步分析振动体的响应幅值和响应频域,证明电机应选在B(1, 1)模态下工作,此时具有较好的正、反向运动速度和频率调节范围。比较分析不同碳纤维角CFRP振子的振动特性,得出CFRP振子的碳纤维角度应选择在45°左右。优化设计电机的尺寸结构并对试验样机进行性能测试,证明有限元法对电机结构及其特性的设计和仿真是基本正确的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 超声电机的发展及应用
• 1.1.1 超声电机的发展及其特点
• 1.1.2 超声电机的应用及国内外研究现状
• 1.2 超声直线电机的结构分类
• 1.2.1 行波型超声直线电机
• 1.2.2 驻波型超声直线电机
• 1.2.3 复合型超声电机
• 1.3 复合材料超声直线电机的模型及研究现状
• 1.4 有限元法及ANSYS 软件在超声电机中的应用
• 1.5 有限元法的基本概念
• 1.5.1 有限元法的基本原理和基本思路
• 1.5.2 有限元分析流程
• 1.5.3 结构动力学的分类及应用
• 1.6 复合材料超声直线电机有限元模型的建立及本文的主要工作
• 第二章 压电晶片的振动响应分析
• 2.1 压电陶瓷的逆压电效应
• 2.2 压电方程组
• 2.3 压电晶片的有限元分析
• 2.4 利用ANSYS 软件进行分析求解及后处理
• 2.4.1 前处理
• 2.4.2 求解处理
• 2.4.3 后处理
• 2.5 电压晶片的特性分析
• 2.5.1 单片压电晶片的静态分析
• 2.5.2 单片压电晶片的瞬态分析
• 2.5.3 多层叠片压电陶瓷特性分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 复合材料超声直线电机弹性振子的有限元分析
• 3.1 复合材料超声直线电机
• 3.1.1 电机的振动解析模型
• 3.1.2 复合材料超声波直线电机的致动机理
• 3.2 复合材料的有限元分析基础
• 3.2.1 三维的正交材料
• 3.2.2 复合材料层合板有限元动力分析
• 3.3 超声电机复合材料振动体的有限元分析
• 3.3.1 CFRP 块有限元模型
• 3.3.2 边界条件及施加载荷
• 3.3.3 CFRP 块的模态分析
• 3.3.4 CFRP 块的谐响应分析
• 3.3.5 CFRP 块的瞬态分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 双向运动直线电机设计
• 4.1 电机的双向运动机理
• 4.1.1 CFRP 振子B（1,1）阶振动模态的分析
• 4.1.2 CFRP 振子（1,1）阶振型的位移变形图
• 4.2 不同碳纤维角CFRP 的性能分析
• 4.2.1 30°和60°碳纤维角CFRP 振子的模态分析
• 4.2.2 不同碳纤维角CFRP 对电机运动速度的影响
• 4.3 CFRP 材料的力学性能与碳纤维角度的关系
• 4.4 电机结构的优化
• 4.4.1 压电陶瓷的选择
• 4.4.2 CFRP 复合材料的选择
• 4.5 超声电机实验
• 4.5.1 复合材料超声直线电机实验系统
• 4.5.2 电机性能测试结果
• 4.5.3 实验结果与有限元结果比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢